一種基于收費站的能量收集系統設計

占志龍　胡仕剛　李權接　譚飄　余勁　唐志軍

基金項目：國家自然科學基金資助項目（61674056，61875054）。

摘要：論文設計了一種基于收費站的能量收集系統。該系統由減速帶發電模塊、太陽能發電模塊發電和電能轉換模塊組成。理論計算結果表明，該系統符合設計要求，具有一定的實際應用價值。

關鍵詞：減速帶;液壓發電模塊;能量收集系統

中圖分類號：TM919文獻標識碼：A文章編號：1672-9129（2020）07-0067-01

Abstract：This paper designs an energy collection system based on toll station. The system consists of power generation module of speed belt， solar power generation module and electric energy conversion module. The theoretical calculation results show that the system meets the design requirements and has certain practical application value.

Key words：speed bumps;Hydraulic power generation module;Energy collection system

人類對能源的需求正在逐步遞增，其中尤其典型代表是電能，在當前社會主要以化石燃料燃燒發電為主，然而化石燃料的開采將會帶來眾多的環境問題。在日常生活中我們發現收費站僅僅作為一個具有收費功能的場所，事實上它可以具有多功能。例如，利用收費站的減速帶吸收汽車經過減速帶時下壓的能量并且在收費廳樓頂安置太陽能板吸收太陽能的能量收集系統[1]。為了充分利用收費站收集電能，論文設計了一種基于收費站的能量收集系統。

1系統硬件設計與實現

1.1系統總體方案設計。在收費站口的減速帶下方安置一組液壓馬達發電機，當車輛通過減速帶的時，車子將減速帶向下壓，使液壓桿推動并擠壓液壓缸內的油性介質，油性介質順著管道流向電磁閥，經電磁閥控制流速后流過液壓馬達帶動發電機發電，同時油性介質流向上油腔[1];在回位彈簧的作用下將液壓桿向上拉升，拉升使其處于上油腔的液體在整流橋的作用下再次流向液壓馬達，最終油性介質從液壓馬達處流處，回到了下油腔實現復位，整個過程實現了二次發電。減速帶產生的電能與收費站樓頂上的太陽能板產生的電能一起經過電流轉化模塊處理后存入蓄電池中，然后通過電能輸出模塊將電供給收費站和電網。當電量不足，電網通過輸出電路反向對蓄電池充電以維持電量需求。

1.2機械結構設計。該系統主要由三部分組成，減速帶發電模塊和太陽能發電模塊發電，然后通過電能轉換模塊進行輸出。減速帶發電模塊運用液壓發電的原理，借助液壓馬達進行發電，通過整流橋來控制系統中液體流動方向，利用回位彈簧實現液體兩次通過液壓馬達進行兩次發電。太陽能發電模塊由pv方陣來將太陽能轉換成電能，由控制器來進行管理然后存入蓄電池[2]。

1.3減速帶發電模塊。減速帶發電模塊裝置通過在收費站口的減速帶下方安置一組液壓馬達發電機，當車輛通過減速帶的時，車子下壓減速帶，使液壓桿推動并擠壓液壓缸內的油性介質，油性介質順著管道流向電磁閥，經電磁閥控制流速后流向液壓馬達帶動發電機發電，同時油性介質流入上油腔;在回位彈簧的作用下將液壓桿向上拉升，拉升使其處于上油腔的液體流出并且在整流橋的作用下再次流向液壓馬達正極，進行第二次發電，最終油性介質又流從液壓馬達留回了下油腔。減速帶發電模塊三維圖如圖2所示[3]。

2軟件設計與理論計算

控制部分，綜合運用了單片機和傳感器，另外加上整流模塊和升壓降模塊。首先壓力傳感器接收到壓力信號，然后將相應的信號傳給單片機，單片機對不同的電磁閥做出相應的反應，然后將發電機發的電經過整流和升壓降模塊然后和太陽能發的電經過控制器最終匯入蓄電池中[3]。

2.1已知電機輸出軸的功率P1=1KW，轉速n1=380rpm，轉矩T1=25131N·mm，計算作用在齒輪上的力FT=（2T1/d1）*（tanɑ/cosβ）=703N。

2.2發電機轉速為380rpm，發電機輸入軸與液壓馬達輸出軸上齒輪轉動比為3，則液壓馬達轉速為127rpm。取發電機輸出軸齒輪與液壓馬達輸出軸上的齒輪傳動機械效率η齒輪=0.98，馬達輸出軸上的功率P2=Pd*η齒輪=1*0.98=0.98KW、轉速n2=127rpm、轉矩T2=73.7N·m。選擇液壓達型號為BMT-800，轉速140rpm，勵13MPa，輸入流量125L/min。液壓馬達每通過7500L的液體油，則可以產生1KW的電量，液壓缸壓縮高度h=10cm，半徑r=10cm，每次下壓的油量：Q1=π*h*r2≈3.14L，液壓油上下兩次經過液壓馬達和每輛車經過一個減速帶會下壓減速帶兩次（前輪后輪），故每次通過的油量：Q2≈4Q1=12.56L。

按照6個減速帶的規格來計算，產生1KW的電量需要通過的車輛數：N=7500L/（4*Q2）=149輛[3]。

3結論

基于收費站的能量收集系統采用多套減速帶共用一套發電系統，成本較低，有利于大范圍的推廣。其發電效率可觀，成本可以快速收回。并可拆卸，有利于維修護理。論文所設計的能量收集系統，具有一定的實用性。通過理論計算結果可以看出，該系統滿足設計要求。

參考文獻：

[1]謝達.路面減速帶液壓式振動能量回收系統設計與研究[D].江蘇：江蘇大學，2017：6-1.

[2]美國國際太陽能協會，李雅琪譯.太陽能光伏發電設計與安裝指南[M].湖南科學技術出版社，2013.

[3]朱子豪.基于車輛運行的減速帶振動能量回收方法研究[D].上海：上海工程技術大學，2015：12-1.

通信作者：胡仕剛（1980.9—），男，湖北咸寧人，博士/教授，從事集成電路設計研究與教學。